碳纖維基柔性超級(jí)電容器電極材料的應(yīng)用進(jìn)展

江滔

摘要：超級(jí)電容器是一種能夠快速充放電的新型的儲(chǔ)存能量的器件，但有個(gè)缺點(diǎn)是能量密度較小。而柔性器件顧名思義，也必須擁有柔性這一品質(zhì)。本文先從超級(jí)電容器著手，介紹了它的幾種分類(lèi)，來(lái)分析有比較高能量密度的超級(jí)電容器，接著講述了本次研究?jī)?nèi)容的應(yīng)用進(jìn)展.后又講了幾種制備這種電極材料的方法，最后總結(jié)了實(shí)際應(yīng)用中，基于碳纖維基的柔性超級(jí)電容器的電極材料的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：碳纖維基;柔性超級(jí)電容器;電極材料

一、超級(jí)電容器的分類(lèi)分析

1.按照儲(chǔ)能機(jī)理分類(lèi)

按照機(jī)理分為兩種電容器，一種為雙電層的超級(jí)電容器，這類(lèi)電容器在電極材料上面，電極全部使用碳基纖維，不但成本較低，而且產(chǎn)量很高，不會(huì)造成浪費(fèi)，導(dǎo)電能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，最重要的是環(huán)保，因此應(yīng)用很廣泛。另一種則是至少有一極是贗電容儲(chǔ)能的電極材料的贗電容器。這類(lèi)電極材料的電容數(shù)量級(jí)比較高，比平常的高出一到兩級(jí)，但因其的循環(huán)利用的穩(wěn)定性能不足，從而沒(méi)有進(jìn)一步發(fā)展。

2.按照電極的結(jié)構(gòu)類(lèi)型分類(lèi)

按照結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為三類(lèi)超級(jí)電容器。第一類(lèi)是對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容器，組成的兩個(gè)電極材料類(lèi)別，型號(hào)以及性能指標(biāo)都相同。第二類(lèi)是非對(duì)稱(chēng)型超級(jí)電容，組成的兩個(gè)電極材料類(lèi)別，型號(hào)以及性能指標(biāo)都不同。第三類(lèi)是能量密度接近于傳統(tǒng)電池，電容器的一極是電池型的混合型超級(jí)電容器。

3.按照電解溶液分類(lèi)

按照電解質(zhì)種的溶液來(lái)分，可分為三類(lèi)電解液式電容器。第一類(lèi)是將純凈水（蒸餾水）作為溶劑，，利用電解質(zhì)放入的比例調(diào)節(jié)電解質(zhì)的濃度，共分為三種，電解質(zhì)。即酸性，堿性以及中性。第二類(lèi)是是將有機(jī)電解溶液作為反應(yīng)溶液的系有機(jī)電解溶液超級(jí)電容器，此類(lèi)電容器的成本很高，而且有機(jī)電解液本身存在著安全問(wèn)題。第三類(lèi)是采用一些堿性物質(zhì)和鹽，讓其混合凝聚成固態(tài)，系全固態(tài)超級(jí)電容器。

二、碳纖維基柔性電極材料的進(jìn)展

1.碳基柔性電極材料的特點(diǎn)

在電極部分全部使用碳基的電極材料的雙電層電容器中碳材料的優(yōu)點(diǎn)是電容值隨著表面積的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。柔性電極材料可以克服活性物質(zhì)材料因脫離集流體，不能使電極材料固定在集流體上的缺點(diǎn)，與此同時(shí)柔性材料也可以不需采用金屬集流體。柔性電極材料也避免了一些例如粘結(jié)劑帶來(lái)的負(fù)面影響，也可進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的性能。因此，將碳基與柔性電極材料結(jié)合起來(lái)，進(jìn)一步電子器件研究的進(jìn)展。

2.碳基柔性電極材料的應(yīng)用

自超級(jí)電容迅速發(fā)展后，超級(jí)電容器一大重要應(yīng)用是充電式電動(dòng)公交車(chē)，這則是利用了超級(jí)電容器快速充放電的機(jī)理和儲(chǔ)能的機(jī)理。還有一個(gè)重要的應(yīng)用是無(wú)軌電車(chē)，電車(chē)中加入AC混合型超級(jí)電容器。由于碳基材料容易購(gòu)買(mǎi)到，制備操作過(guò)程簡(jiǎn)單，能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，如果能與柔性超級(jí)電容器結(jié)合起來(lái)，并且迅速發(fā)展起來(lái)，將對(duì)社會(huì)有很大的應(yīng)用意義。

三、制備電極材料的方法

1.涂覆法

制備過(guò)程是將活性物質(zhì)均勻攪拌后用毛刷涂覆在碳纖維基底上，過(guò)程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，基底不需要制備成柔性降低制備成本可規(guī)?；a(chǎn)，但這種方法明顯的不足就是活性物質(zhì)易脫落，降低電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

2.浸漬法

浸漬法是在溶液中實(shí)現(xiàn)的一種方法，首先把活性物質(zhì)的載體加入溶液中進(jìn)行攪拌溶解，其次將碳纖維基底放入油活性物質(zhì)的溶液中浸泡一定時(shí)間，具體時(shí)間以使碳纖維底含有活性物質(zhì)即可，從溶液中取出基底，然后利用干燥，鍛燒等手段處理后得到的電極材料為高度分散的載體電極材料優(yōu)點(diǎn)為制備過(guò)程簡(jiǎn)捷，也可規(guī)?；a(chǎn)，缺點(diǎn)是浸透不均勻也易脫落。浸漬法只能合成單一的使用面較窄的導(dǎo)電類(lèi)活性物質(zhì)。

3.化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積技術(shù)是一種常見(jiàn)的化工技術(shù)，可以制備無(wú)機(jī)膜等材料，在制備電極材料時(shí)，使用此方法催化或儲(chǔ)備能源，在碳纖維的基底上實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的沉積，在高溫假加熱的情況下，汽化成粉塵就會(huì)得到復(fù)合纖維電極材料。優(yōu)點(diǎn)是沉淀均勻，且具有良好的性能，缺點(diǎn)是制備過(guò)程復(fù)雜，制成的產(chǎn)物要求較高，生產(chǎn)成本高，卻生產(chǎn)的量很少，商業(yè)劃不好實(shí)現(xiàn)。

4.溶劑熱法

溶劑熱法是在溶器中加入反應(yīng)物和溶劑，攪拌后就會(huì)形成均勻的溶液，然后把溶液倒入反應(yīng)瓶中，經(jīng)過(guò)時(shí)間、高溫、密封、高壓反應(yīng)后，將物質(zhì)結(jié)晶。而溶劑熱法中最常見(jiàn)的就是水熱法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是基底得到的物質(zhì)性能好且均勻。造出的超級(jí)電容器性能較高，可以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，但不足是商業(yè)化不好實(shí)現(xiàn)，成本要求高卻產(chǎn)量很低，所以這種方法研究材料時(shí)常用于實(shí)驗(yàn)室研究。

5.電化學(xué)沉積法

電化學(xué)沉積法在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，是一門(mén)成熟的技術(shù)，利用此方法可以制備各種用于催化或能源儲(chǔ)備的材料，制備過(guò)程中使用電化學(xué)法沉積出電極材料，基底得到的活性物質(zhì)分布均勻，性能高，成本低，容易實(shí)現(xiàn)。

6.真空抽濾法

真空抽濾法是用抽氣泵抽出附在基底或填充在其底間空隙中的薄膜的方法。影響電容材料的重要因素就是基底分布活性物質(zhì)的均勻性，此方法的優(yōu)點(diǎn)是基底不需要制備成柔性、降低制備成本，但操作難度比涂覆法難度大，但基底的活性物質(zhì)卻不易脫落.缺點(diǎn)是分布在基度的活性物質(zhì)不均勻，不可規(guī)?；a(chǎn)，生產(chǎn)的量也較少

7.靜電噴涂法

靜電噴涂法是將活性物質(zhì)在靜電作用下噴涂在碳纖維的基底的表面上，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，直接生成膜但是噴涂不均勻會(huì)使基底上的話(huà)性物質(zhì)不均習(xí)分布，也不穩(wěn)定.易脫落。同時(shí)也可以直接制備，不需要成服。

8.濕法紡絲法

濕法紡絲簡(jiǎn)稱(chēng)濕紡，將紡絲原液凝固成細(xì)流形成初生纖維，再進(jìn)行卷裝的方法。用濕法紡絲法制備出來(lái)的纖維可以拉伸較長(zhǎng)且柔韌性也非常好，這些纖維也可以編制和打結(jié)。該法的優(yōu)點(diǎn)可以將漿料直接紡成絲史店及柔性化制備過(guò)程中，操作也很簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本不高，可規(guī)?；a(chǎn)，但不能同時(shí)制備多根纖維，而且纖維的強(qiáng)度很低。

9.靜電紡絲法

靜電紡絲法是在注射器中加入聚合物溶液，在加入強(qiáng)電場(chǎng)后，注射器的針頭部位出現(xiàn)圓錐形的液滴，將液滴拉伸得到纖維細(xì)絲，將這些纖維細(xì)絲粘覆在鋁箔或錫箔或者接收器中。一般制成的纖維的直徑為十微米，但通過(guò)這種方法制成的直徑可以達(dá)到納米級(jí)，所以使用這種技術(shù)制備出身纖維，這種方法可以直接制成膜，也可以用碳處理后直接用作柔性電極。從而用碳纖維基底制備出具有柔性性能的超級(jí)電容器的電極材料。

四、結(jié)論

目前，隨著電子產(chǎn)品市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，超級(jí)電容器是一種能夠快速充放電的新型的儲(chǔ)存能量的器件，但本身卻獨(dú)有一點(diǎn)不足就是能量密度較小。而柔性器件顧名思義，也必須擁有柔性這一特殊的品質(zhì)。本文先從超級(jí)電容器著手，介紹了按照儲(chǔ)能機(jī)理，電極的結(jié)構(gòu)類(lèi)型以及電解溶液分類(lèi)，來(lái)分析有比較高能量密度的超級(jí)電容器，接著講述了本次研究?jī)?nèi)容的應(yīng)用與進(jìn)展后又講了涂覆法，浸漬法等九種制備這種電極材料的方法，最后總結(jié)了在實(shí)際應(yīng)用中，基于碳纖維基的柔性超級(jí)電容器的電極材料的進(jìn)展。